矿用高压电缆绝缘状态在线监测系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于中性点经消弧线圈接地供电系统的矿用高压电缆绝缘状态在线监测系统，属于矿用高压电缆绝缘在线监测【技术领域】，包括防爆外壳、DSP处理单元、通讯单元、温度信号检测单元、绝缘电阻信号检测单元、电源单元和工控机，温度信号检测单元、绝缘电阻信号检测单元分别与DSP处理单元相连，DSP处理单元通过通讯单元与工控机相连，温度信号检测单元和绝缘电阻检测单元分别与电源单元相连；本发明克服现有传统监测方法在中性点经消弧线圈接地供电系统中无法应用的缺点，它可实时在线监测电缆绝缘状态，保证煤矿电缆供电安全性与可靠性，为电缆维护提供重要参考依据。
【专利说明】矿用高压电缆绝缘状态在线监测系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及矿用高压电缆绝缘在线监测【技术领域】，特别是一种能用于中性点经消弧线圈接地供电系统中的矿用高压供电电缆绝缘状态在线监测系统。
【背景技术】
[0002]矿用高压电缆是煤矿井下电能传输的媒介，对于煤矿安全与负荷的运行稳定性起着至关重要的作用。由于矿用电缆运行环境恶劣，电缆引发的电气故障几率较大，约占供电事故总数的2/3左右，是引起瓦斯、煤尘爆炸等重特大事故的主要原因之一。因此，为了提高煤矿供电的连续性、可靠性和安全性，亟需寻找一种切实有效的方法对矿用高压电缆绝缘状态进行实时在线监测。
[0003]电缆绝缘传统监测方法多为离线检测，这些方法均在停电状态下进行，难以及时判断电缆运行中的绝缘水平，无法连续反映电缆运行状态。另外，离线检测盲目性很大，浪费人力、物力，甚至有些离线检测方法还会破坏电缆绝缘。针对电缆绝缘在线监测技术和检测方法方面的研究，经过多年的发展，本领域学者们提出了多种在线监测方法，比如直流分量法、局部放电法、介质损耗法等。这些方法理论性强，但在具体实施中存在一些技术缺陷或瓶颈问题，直流分量法容易受现场杂散电流的影响，导致微弱电流信号提取困难，在工程实际中难以实施；局部放电法能有效判断电缆绝缘是否存在老化现象，但无法有效地克服电力系统的干扰，同时其监测范围有限，难以监测整个煤矿电缆供电网络；介质损耗法能有效反映电缆集中性缺陷，但是无法有效地反映整体性缺陷。另外，现有监测装置检测参数单一，不能有效地应用于中性点经消弧线圈接地供电系统，难以全面、准确地反映电缆绝缘水平。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种用于中性点经消弧线圈接地供电系统中的矿用高压供电电缆绝缘状态在线监测系统，能实时在线监测电缆绝缘水平，提高电缆供电可靠性和安全性，保证煤矿安全生产。
[0005]本发明提供的技术方案为:一种矿用高压电缆绝缘状态在线监测系统，包括防爆外壳、DSP处理单元、通讯单元、温度信号检测单元、绝缘电阻信号检测单元、电源单元和工控机，温度信号检测单元、绝缘电阻信号检测单元分别与DSP处理单元相连，DSP处理单元通过通讯单元与工控机相连，温度信号检测单元和绝缘电阻检测单元分别与电源单元相连；其中
DSP处理单元包括DSP2812芯片(UlO)、电源模块(U5)、复位电路(U6)、时钟电路(U7)、JTAG接口电路(U8 )和存储器扩展电路(U9 )，其中电源模块(U5 )、复位电路(U6 )、时钟电路(U7)、JTAG接口电路(U8)与DSP2812芯片(UlO)相应管脚相连，扩展的存储器经15位总线与DSP2812芯片(UlO)相连；DSP处理单元包含电压电流信号采集程序、温度信号采集程序、中值滤波程序、通讯程序、电压电流信号模型参数识别程序以及线芯温度反演程序； 通讯单元为RS-485通讯电路(U4)，通过串行总线与DSP2812芯片(UlO)相连；
温度信号检测单元包括温度传感器(Pl)和温度信号调理电路(U1)，温度传感器(Pl)固定在防爆壳内的三相电缆绝缘表面，温度信号经温度信号调理电路(Ul)后由通讯线路传送至DSP处理单元(U5)的4路A/D接口，利用DSP处理单元建立的电缆线芯温度暂态模型以及采集的电缆绝缘层温度和环境温度推算电缆线芯温度；
绝缘电阻信号检测单元绝缘电阻信号检测单元分为电压信号调理单元和电流信号调理单元，电压信号调理单元包括电压互感器和电压信号调理电路(U2)，电流信号调理单元包括电流互感器和电流信号调理电路(U3)，电压互感器和电流互感器安装在防爆外壳内，电压信号和电流信号分别经电压信号调理电路(U2)和电流信号调理电路(U3)后由通讯线路传送至DSP处理单元6路A/D接口，然后在DSP处理单元进行模型参数识别，获得电缆绝缘电阻；
电源单元为AC/DC模块(Ull和U12)，其输入端接电压互感器副边，输出端可为温度信号调理电路(Ul)、电压信号调理电路(U2)和电流信号调理电路(U3)提供电源+15V、-15V、+5V电压；
工控机与DSP处理单元经通讯单元相连，用于显示处理数据，工控机进一步通过以太网与地面监控中心相连；
DSP处理单元、通讯单元、电源单元、温度信号检测单元、绝缘电阻信号检测单元以及工控机封装在防爆壳体内。
[0006]本发明与现有技术相比，所具有的优点与积极效果在于:本发明克服现有传统监测方法在中性点经消弧线圈接地供电系统中无法应用的缺点，实现了矿用高压电缆绝缘状态在线监测，可实时监测电缆绝缘水平，为工作人员进行电缆维修提供参考依据，保证煤矿电缆供电安全性与可靠性，具有重要的现实意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1为本发明结构示意图；
图2为DSP2812处理单元存储器扩展电路原理图；
图3为DSP2812处理单元电源模块电路原理图；
图4为DSP2812处理单元复位电路原理图；
图5为DSP2812处理单元时钟电路原理图；
图6为DSP2812处理单元JTAG接口电路原理图；
图7为绝缘电阻信号检测单元电流信号调理单元原理图；
图8为绝缘电阻信号检测单元电压信号调理单元原理图；
图9为温度信号检测单元温度信号调理电路原理图；
图10为通讯单元电路原理图；
图11为电源单元电路原理图。
【具体实施方式】
[0008]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0009]如图1所示，本发明提供一种矿用高压电缆绝缘状态在线监测系统，包括防爆外壳、DSP处理单元、通讯单元、温度信号检测单元、绝缘电阻信号检测单元、电源单元和工控机，温度信号检测单元、绝缘电阻信号检测单元分别与DSP处理单元相连，DSP处理单元通过通讯单元与工控机相连，温度信号检测单元和绝缘电阻检测单元分别与电源单元相连。
[0010]其中DSP处理单元包括DSP2812芯片U10、电源模块U5、复位电路U6、时钟电路U7、JTAG接口电路U8和存储器扩展电路U9，其中电源模块U5、复位电路U6、时钟电路U7、JTAG接口电路U8与DSP2812芯片UlO相应管脚相连，扩展的存储器经15位总线与DSP2812芯片UlO相连；DSP处理单元包含了电压电流信号采集程序、温度信号采集程序、中值滤波程序、通讯程序、电压电流信号模型参数识别程序以及线芯温度反演程序；
通讯单元为RS-485通讯电路U4，通过串行总线与DSP2812芯片UlO相连；
温度信号检测单元包括温度传感器Pl和温度信号调理电路U1，温度传感器Pl固定在防爆壳内的三相电缆绝缘表面，温度信号经温度信号调理电路Ul后由通讯线路传送至DSP处理单元U5的4路A/D接口，利用DSP处理单元建立的电缆线芯温度暂态模型以及采集的电缆绝缘层温度和环境温度推算电缆线芯温度；
绝缘电阻信号检测单元绝缘电阻信号检测单元分为电压信号调理单元和电流信号调理单元，电压信号调理单元包括电压互感器和电压信号调理电路U2，电流信号调理单元包括电流互感器和电流信号调理电路U3，电压互感器和电流互感器安装在防爆外壳内，电压信号和电流信号分别经电压信号调理电路U2和电流信号调理电路U3后由通讯线路传送至DSP处理单元6路A/D接口，然后在DSP处理单元进行模型参数识别，获得电缆绝缘电阻；电源单元为AC/DC模块(Ull和U12)，其输入端接电压互感器副边，输出端可为温度信号调理电路(UI)、电压信号调理电路(U2 )和电流信号调理电路(U3 )提供电源+15V、-15V、+5V电压；
工控机与DSP处理单元经通讯单元相连，用于显示处理数据，工控机进一步通过以太网与地面监控中心相连；
DSP处理单元、通讯单元、电源单元、温度信号检测单元、绝缘电阻信号检测单元以及工控机封装在防爆壳体内。
[0011]本发明所用的核心处理器为DSP2812芯片，内核采用改进的哈佛总线结构，各存储空间相互独立，数据、程序及I/o 口相互分开，各自运行，核心电压及I/O 口电压分别为
1.8V及3.3V，使得功耗减少很多，存储空间可根据用户的需求进行扩展，DSP2812芯片还具有丰富的I/O引脚功能。DSP处理单元的特点是DSP2812内核、FLASH和SRAM存储空间、JTAG以及复位电路等集成一起，运算速度高达150MIPS，系统时钟周期为6.67ns，运算能力强，响应时间短；并且它具有3个32位的CPU定时器以及16个12位通道的输入多路选择器，优化了系统的实现过程。
[0012]其中，图2的DSP2812芯片UlO和存储器扩展电路U9、图3的电源模块U5、图4的复位电路U6、图5的时钟电路U7、图6的JTAG接口电路U8组成最小系统。电源模块U5、复位电路U6、时钟电路U7、JTAG接口电路U8与DSP2812芯片UlO相应管脚相连；扩展的存储器经15位总线与DSP2812芯片UlO相连。
[0013]如图7所示，电流信号调理单元包括主要电流互感器P2、放大模块011和012、滤波模块R16和C18、钳位模块D11，实现电流信号的处理。用于采集电流信号的电流互感器P2型号为SCT254，额定输入和输出电流分别为5A和2.5mA。电流互感器P2输出的电流信号转为电压信号，二极管Dl和D2采用正反并联方式，可保护运算放大器。电容Cll具有信号滤波功能，电阻Rll为采样电阻，运算放大器Oll的放大倍数可通过电阻Rll来调节，实现运算放大器输出电压的调节与控制。电阻R13之后的电路为信号调理电路，包括同相加法电路、低通滤波电路。信号采集后，调节电阻Rll的大小，使其电阻R13处输出电压为-2.5V^+2.5V，通过稳压管和电阻R17可为同相加法电路提供+2.5V电压，利用虚断虚短原理设计R12和R14电阻，再经过由电阻R16和电容C18构成的低通滤波电路，将电压信号中的高频部分滤除，信号调理电路尾部的Dll起电压钳位作用，控制Jl输出电压范围为0~3V，保证DSP2812芯片可靠运行。
[0014]如图8所示，电压信号调理单元主要包括电压互感器P3、放大电路041和042、滤波电路R46和C48、钳位模块D41，实现电压信号的采集。电压互感器P3为SPT204星格互感器，额定输入和输出电流都是2mA。电压信号经过电阻R48转换成适合互感器输入的电流信号。电压互感器输出电流信号后，经过滤波电路、采样电阻后在R43输出相应的电压信号，再经过同相加法电路、低通滤波电路，J3输出DSP2812芯片所需的(T3V电压信号。
[0015]如图9所示，温度信号调理电路采用PtlOO三线制接法，具有正电阻系数，其阻值变化能反映电缆温度的变化，采用XTR105转换器将温度信号转为电流信号，通过电阻转为电压信号，接入DSP2812芯片，完成信号变送。温度信号经过XTR105转换器后可输出4mA~20mA电流，串接150 Ω电阻，获取0.6~3V电压信号。要达到调节目的，需要对XTR105电路的RLIN1、RLIN2、RZ及RG阻值进行配置，配置过程为:不接PT100传感器，红线与绿线槽短接电阻，下限电阻为 100 Ω，上限电阻为175.84 Ω，在红线与绿线槽间短接阻值为100 Ω下限电阻，调节RZT5，使J5输出4mA电流，测J5与GND_AI间电压为0.60V ;在红线与绿线槽间短接阻值为175.84 Ω上限电阻，不改变RZT5值，调节RGT5，使J5输出20mA，测J5与GND_Al间的电压为3.0V。为使JTlO和JTlI两处电压相等，需要调节RT62，JTlO接GND_A，JTlI接-15_DI，J4输出0~3V电压信号，进入DSP2812芯片。
[0016]如图10所示，通讯单元采用RS-485单元U4实现和工控机通讯，RO端和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入。RE端和DE端分别为接收和发送的使能端。当RE端为逻辑“O”时，器件处于接收状态；当DE端为逻辑“I”时，器件处于发送状态。当RE端或DE端禁止时，接收器或驱动器输出为高阻态。A端和B端为待接收和发送的差分信号端。通常情况下，作为发送器，Uab在+2疒+6V之间，为逻辑“ I” ；Uffi在-2疒-6V之间，是逻辑“O”。作为接收器，当在A、B之间有大于+200mV的电压差时，输出为逻辑“I”;小于_200mV时，输出为逻辑“O”。而A、B之间电位差的绝对值小于200mV时，输出为不确定状态。输入接收器和输出驱动器可抗±15kV的静电冲击，RS-485接口电路由电源单元(Ull和U12)提供。
[0017]如图11所示，电源单元Ull和U12中，AC/DC电源模块提供三路共地输出+5V和土 15V，通过电平转换芯片转换成土 5V和+3.3V电源。+15V转换为+5V采用LMl 117-5.0完成，-15V转换为-5V采用LM7905CT完成，为电压信号调理电路U2、电流信号调理电路U3和温度信号调理电路Ul提供电源。
[0018]以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种矿用高压电缆绝缘状态在线监测系统，其特征在于，包括防爆外壳、DSP处理单元、通讯单元、温度信号检测单元、绝缘电阻信号检测单元、电源单元和工控机，温度信号检测单元、绝缘电阻信号检测单元分别与DSP处理单元相连，DSP处理单元通过通讯单元与工控机相连，温度信号检测单元和绝缘电阻检测单元分别与电源单元相连；其中 DSP处理单元包括DSP2812芯片(U10 )、电源模块(U5 )、复位电路(U6 )、时钟电路(U7 )、JTAG接口电路(U8 )和存储器扩展电路(U9 )，其中电源模块(U5 )、复位电路(U6 )、时钟电路(U7)、JTAG接口电路(U8)与DSP2812芯片(UlO)相应管脚相连，扩展的存储器经15位总线与DSP2812芯片(UlO)相连；DSP处理单元包含电压电流信号采集程序、温度信号采集程序、中值滤波程序、通讯程序、电压电流信号模型参数识别程序以及线芯温度反演程序； 通讯单元为RS-485通讯电路(U4)，通过串行总线与DSP2812芯片(UlO)相连； 温度信号检测单元包括温度传感器(Pl)和温度信号调理电路(U1)，温度传感器(Pl)固定在防爆壳内的三相电缆绝缘表面，温度信号经温度信号调理电路(Ul)后由通讯线路传送至DSP处理单元(U5)的4路A/D接口，利用DSP处理单元建立的电缆线芯温度暂态模型以及采集的电缆绝缘层温度和环境温度推算电缆线芯温度； 绝缘电阻信号检测单元分为电压信号调理单元和电流信号调理单元，电压信号调理单元包括电压互感器和电压信号调理电路(U2)，电流信号调理单元包括电流互感器和电流信号调理电路(U3)，电压互感器和电流互感器安装在防爆外壳内，电压信号和电流信号分别经电压信号调理电路(U2)和电流信号调理电路(U3)后由通讯线路传送至DSP处理单元6路A/D接口，然后在DSP处理单元进行模型参数识别，获得电缆绝缘电阻； 电源单元为AC/DC模块(Ull和U12)，其输入端接电压互感器副边，输出端可为温度信号调理电路(Ul)、电压信号调理电路(U2)和电流信号调理电路(U3)提供电源+15V、-15V、+5V电压； 工控机与DSP处理单元经通讯单元相连，用于显示处理数据，工控机进一步通过以太网与地面监控中心相连； DSP处理单元、通讯单元、电源单元、温度信号检测单元、绝缘电阻信号检测单元以及工控机封装在防爆壳体内。
【文档编号】G01R31/12GK103995220SQ201410225812
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2014年5月27日
【发明者】宋建成, 田慕琴, 许春雨, 雷志鹏, 宋渊, 刘媛, 苏文, 李传扬 申请人:太原理工大学